超高场磁共振引导超声聚焦热消融的SAR安全研究

摘要

磁共振成像是一种断层成像技术。磁共振成像原理是基于处于静磁场中既有磁矩又有角动量的原子核系统与特定频率（与静磁场强度相对应的拉莫尔频率）的射频电磁波相互作用产生核磁共振，射频脉冲作用后，原子核系统会发生弛豫，产生磁共振信号，通过探测生物体内经梯度场作用产生的包含空间信息的磁共振信号以获取物体内原子核的相对空间位置，这些信号通过谱仪和计算机系统处理后可以得到物体的图像。因而磁共振技术可用于研究物质的结构，被广泛应用于生命科学研究、临床医学诊断等领域中。 与其它常用于临床的医学影像技术相比，磁共振成像具有很多优势:第一，磁共振可进行任意方向断层成像，因而可以很方便的显示观察解剖结构或病变;第二，磁共振对软组织成像等精细结构成像好;第三，磁共振成像的成像视野广、空间分辨力好;第四，可用于磁共振中成像的参数丰富，因而能够提供各类有价值的诊断信息;第五，磁共振图像不会产生骨伪影;最后，磁共振是基于射频电磁场激发氢质子在高、低能态之间的转换，决定了人体做磁共振检查不存在电离辐射损伤，对人体相对更安全。 高强度聚焦超声是近年来兴起的一种无创的局部热消融技术，可用于良、恶性肿瘤的治疗。高强度聚焦超声的基本原理是将体外低能量的超声波束聚焦到体内靶区，使靶区温度在短时间升高到60摄氏度甚至更高，导致肿瘤细胞不可逆损伤、组织凝固性坏死同时对靶区周围的正常组织不造成损伤。 磁共振成像中，基于质子共振频率(proton resonance frequency，PRF)、扩散系数(D)、纵向弛豫时间(T1)、横向弛豫时间(T2)以及温度敏感对比剂等与温度敏感参数的成像方法，都能重建计算得到人体组织的温度分布。目前高场下的测温精度可以达到1摄氏度，磁共振无创测温的特点以及现有的测温精度非常适合用来引导监控无创的热消融手术。 磁共振引导的高强度聚焦超声集磁共振成像对软组织分辨率高、无创监测靶区组织温度以及高强度聚焦超声对病患无创伤治疗的优点于一体，同时磁共振技术的引入可以进行术后成像，可以用来评估治疗后的损伤。2004年，美国食品和药品管理局批准InSightec公司用于治疗子宫肌瘤的磁共振引导的高强度聚焦超声系统。磁共振引导的高强度聚焦超声已成为国内外研究热点，在无创治疗固定器官例如子宫、前列腺、脑部等多个器官的肿瘤已经应用于临床，对于受呼吸运动影响的器官治疗的研究也在开展。 磁共振成像随着主磁体场强的升高，具有更优的空间、时间分辨率以及更好的信噪比等显著优势，高场磁共振设备逐渐广泛应用于临床，其在神经、血管、骨关节等人体精细结构成像展现出明显的诊断优势因而高场具有很好的临床应用价值，更高场强的磁共振主磁体成为磁共振系统发展的趋势。目前，临床上场强为1.5T以及场强为3.0T的磁共振系统已经比较普及，7T磁共振系统甚至更高场强成为当前国内外研究磁共振热点。 然而，高场和超高场磁共振也存在着一些缺点。人体的组织器官具有复杂的解剖结构，不同的组织器官具的电磁参数、密度差异很大，当组织电磁参数各异的人体加载到磁共振系统中时，磁共振系统的射频发射线圈发射射频电磁波，不同的组织器官具的电磁参数、密度差异很大导致射频电磁波在人体不同部位产生衰减的程度不同。另外，随着主磁场场强的升高，对应的拉莫尔共振频率也升高，射频电磁波在人体内波长变短，射频电磁波在人体内传播时，入射电磁波与反射电磁波叠加会产生驻波效应。抗电效应和驻波效应两种效应共同作用，使得在高场、超高场下射频线圈在加载人体负载后，B1场的分布往往会变得不均匀。B1场分布的不均匀会降低图像的信噪比、对比度，对成像的质量产生影响;其次，抗电效应和驻波效应会影响电磁波在人体内的传输，会导致射频能量被人体局部吸收过多，可能引起热损伤。国际上常采用射频能量比吸收率来衡量人体接受磁共振扫描时的安全性，国际电工委员会针对不同的扫描条件规定有相应的安全标准。综上，在高场和超高场下，射频电磁场在与人体组织相互电磁作用时，B1场的分布往往会变得不均匀使得图像质量降低以及可能导致射频能量在人体内沉积，引起局部或全身温度升高，可能会对接受磁共振检查的人体产生安全问题。 磁共振系统中研究射频B1场和比吸收率要解决的是电磁场在人体内如何分布的问题。求解电磁场问题的计算一般很复杂，待求解物体形状的复杂、构成物体的电磁属性差异大等。时域有限差分法是一种将电磁场中的电场和磁场的分量在时间和空间上采取交替的方式进行离散化，用差分方程组代替麦克斯韦微分方程组，采用这种替换后就可以得到各场值分量的有限差分式的计算方法。通过离散的方式可以很方便的对每个网格的介电常数和电导率以及密度进行赋值，因而时域有限差分法具备建立复杂结构以及复杂电磁属性的模型的能力。针对人体不同组织具有不同的介电常数，采用时域有限差分法建立人体电磁模型很容易，针对不同组织密度和电导率不同，采用时域有限差分法计算SAR值也很方便。因此，时域有限差分法适合用来仿真计算射频线圈与人体所组成系统的电磁场分布。同时时域有限差分法借助傅里叶变换可以对数据进行频率响应的分析，因此时域有限差分法可以用来模拟射频线圈的调谐以及匹配。时域有限差分法具有如上有点使得其在提出后射频电磁场的仿真中得到广泛应用，本文也采用时域有限差分法对加载人体的射频系统进行射频B1场和比吸收率分布的仿真计算。 在磁共振射频系统仿真中，计算人体组织与射频线圈的相互作用，有了射频发射线圈后还需要建立人体电磁模型。对加载人体电磁模型的射频线圈采用FDTD仿真计算，可以得到人体内电磁场以及比吸收率SAR的分布。结合MRI系统向高场和超高场的发展趋势以及磁共振引导聚焦超声(Magnetic ResonanceImaging guide Focus ultrasound surgery, MRgFUS)应用于治疗子宫肌瘤的重要临床应用价值，本文在小组建立的女性盆腔电磁模型基础上，建立了超声聚焦热消融作用时盆腔的温度模型，用来模拟一次热消融作用时盆腔的温度分布。从Clare研究的温度图上可以得到，热消融时靶区中心区域温度相对人体正常体温升高约35度，靶区附近组织相对正常体温升高约25度，在靶区周围的地方，相对正常体温升高约8度。基于上述温度分布，建立大、小2个同轴的椭球体，短轴长分别为13mm、11mm，长轴长分别为27mm、25mm，以两个椭球体中心为球心，作一个半径4.5cm的球体，用椭球体模拟热消融时靶区的组织，椭球体外的球形区域模拟热消融时靶区周围的组织，在Pro/ENGINEERE软件中建立上述球、椭球体模型，将该模型导入到正常的女性盆腔电磁模型中，对同种组织不同温度加以区分，赋予各组织相应温度下的介电常数和电导率，这样就得到了一次热消融时的温度梯度模型。 为了探究在超高场磁共振引导下的高强度聚焦超声手术(MRIgHIFU)中射频电磁场B1场匀场技术及人体组织比吸收率(SAR)安全性，本文采用时域有限差分算法分别仿真计算在正常模型匀场系数激励以及在温度梯度模型的匀场系数激励下的射频电磁场B1场的均匀性和局部比吸收率(Local SAR)。仿真结果表明，对包含温度梯度的女性盆腔模型采用正常模型的匀场系数激励，组织局部SAR最大值达到10.24W/kg，超出了国际电工委员会(International ElectrotechnicalCommission，IEC)对局部SAR值在正常模式下规定的10W/kg的安全阈值;对包含温度梯度的女性盆腔模型采用温度梯度模型的匀场系数激励，组织局部SAR最大值为9.65W/kg在IEC的安全阈值内。因此，在进行超高场磁共振引导下的高强度聚焦超声手术时，由于人体组织的介电常数和电导率随温度发生变化，需要考虑超声能量在人体形成的温度分布，超声能量使得人体组织介电常数和电导率发生改变，导致正常匀场系数激励时SAR值会超出安全标准，在温度梯度的基础上重新进行匀场优化，可以将组织局部SAR值降低到安全阈值内。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 本文结构

第二章 MRI原理

2．1 磁共振成像的物理基础

2．1．1 原子核的自旋与磁矩

2．1．2 原子核的进动

2．1．3 NMR现象及布洛赫方程

2．2 磁共振信号

2．2．1 原子核弛豫

2．2．2 自由感应衰减

2．3 磁共振成像

2．3．1 层面选择

2．3．2 相位编码和频率编码

2．4 磁共振主体结构及其功能

2．4．1 主磁体

2．4．2 梯度线圈

2．4．3 射频线圈

第三章 MRI射频B1场和SAR分布计算方法

3．1 电磁场数值计算

3．1．1 时域有限差分方法

3．2 人体电磁模型的建立方法

3．2．1 三维模型的建立

3．2．2 数值模型的优化

3．3 射频B1场和SAR值计算

3．3．1 射频线圈模型

3．3．2 射频B1场和SAR值计算

第四章 超高场磁共振引导超声聚焦热消融的SAR安全研究

4．1 高强度聚焦超声

4．2 温度梯度模型

4．3 射频仿真

4．3．1 B1场均匀性

4．3．2 SAR的计算

4．3．3 匀场策略

4．4 射频B1场与SAR分布

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间成果

致谢

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